DE10122643B4 - Bestimmung des Detektionszeitpunkts vorentzerrter Datensignale - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zum Senden eines vorentzerrten Sendesignals über einen oder mehrere Übertragungskanäle mit einer Sendeeinrichtung zum Senden des Sendesignals an einen Empfänger, einer Kanalinformationseinrichtung (KS) zur Bereitstellung von Kanalimpulsantworten und einer Datenverarbeitungseinrichtung zum Auswerten der Kanalimpulsantworten, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Datenverarbeitungseinrichtung auf der Grundlage der Kanalimpulsantworten und Optimierungskriterien ein Detektionszeitpunkt (ODZP) festlegbar ist, zu dem der Empfänger das Sendesignal günstigerweise detektiert.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Senden eines vorentzerrten Sendesignals über mehrere Übertragungskanäle. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein entsprechendes Verfahren zum Senden vorentzerrter Sendesignale.
• Durch Code-Vielfachzugriff (Code Division Multiple Access, CDMA) lassen sich mehrere Datenströme gleichzeitig über ein gemeinsames Frequenzband übertragen. Dabei werden gemäß K. D. Kammeyer: „Nachrichtenübertragung”, 2. Aufl., Reihe Informationstechnik, Teubner, Stuttgart, 1996, 622–624, die zu übertragenden Symbole der Datenströme mit sogenannten Spreizungscodes moduliert. Die Spreizung mehrerer Datenströme ist in 1 symbolisch dargestellt. Die Datenströme d ⁽¹⁾ ... d ^(K) der Nutzer (1) ... (K) werden mit jeweiligen Spreizungscodes c ⁽¹⁾ ... c ^(K) multipliziert und gemeinsam vom Sender zu den jeweiligen Empfängern gesandt.
• Mobilfunkkanäle bestehen im allgemeinen aus mehreren Pfaden. Bei Übertragung von CDMA-Signalen über derartige Mehrwege- bzw. Mehrpfadkanäle stören sich die gleichzeitig übertragenen Datenströme gegenseitig. Die Störungen lassen sich jedoch durch unterschiedliche Techniken eliminieren. Zum einen kann dies im Empfänger durch gemeinsame Detektion (joint detection, JD) gemäß A. Klein, G. K. Kaleh und P. W. Baier: „Zero Forcing and Minimum Mean-Square-Error Equalization for Multiuser Detection in Code-Division Multiple-Access Channels”, IEEE Trans. Vehic. Tech., Bd. 45 (1996), 276–287, erfolgen. Da diese gemeinsame Detektion im Empfänger sehr aufwendig ist, wird vielfach eine andere Methode zur Störungsbeseitigung verwendet. Diese Methode wird mit gemeinsamer Vorentzerrung (Joint predistortion, JP) im Sender bezeichnet und ist in der WO 99/56441 A1 und in der WO 00/27046 A1 näher beschrieben. Das Prinzip der gemeinsamen Vorentzerrung ist in 2 dargestellt. Die Datenströme d ⁽¹⁾ ... d ^(K) werden in einem gemeinsamen Vorentzerrer GV anhand der Codes c ⁽¹⁾... c ^(K) und anhand von Impulsantworten h ⁽¹⁾... h ^(K) gemeinsam vorentzerrt. Die Impulsantworten h ⁽¹⁾... h ^(K) sind Antworten, die der Sender auf vom Empfänger gesendete Impulse bzw. Referenzsignale zur Kanalschätzung erhält. Beim in 2 rechts dargestellten Empfänger wird der gemeinsame Datenstrom durch den dem Empfänger zugewiesenen, konjugiert komplexen Entspreizungscode c ^(k)* zur Gewinnung der detektierten Daten DD entspreizt (1 ≤ k ∊ K). Die Sendesignale werden im Sender so vorentzerrt, dass sie zu einem vorgegebenen Zeitpunkt optimal detektiert werden können. Darum sind aber in der Regel sehr hohe Sendeleistungen erforderlich.
• Aus dem Dokument DE 100 01 491 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Synchronisation von Datenübertragungseinrichtungen bekannt, die den oben beschriebenen Prinzipien zwar Rechnung tragen, aber immer noch weiter optimiert werden können.
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, vorentzerrte Signale bei möglichst niedriger Sendeleistung sicher übertragen zu können.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zum Senden eines vorentzerrten Sendesignals über mehrere Übertragungskanäle mit einer Sendeeinrichtung zum Senden des Sendesignals an einen Empfänger, einer Empfängereinrichtung zum Empfangen eines Referenzsignals und einer Datenverarbeitungseinrichtung zum Auswerten des Referenzsignals, wobei mit der Datenverarbeitungseinrichtung auf der Grundlage des Referenzsignals ein Detektionszeitpunkt festlegbar ist, zu dem der Empfänger das Sendesignal günstigerweise detektiert.
• Ferner wird die oben genannte Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Senden eines vorentzerrten Sendesignals über mehrere Übertragungskanäle durch Empfangen eines Referenzsignals von einem Empfänger, Auswerten des Referenzsignals zur Kanalschätzung und Senden des Sendesignals an den Empfänger unter Berücksichtigung der Auswertung des Referenzsignals, wobei beim Auswerten des Referenzsignals ein Detektionszeitpunkt festgelegt wird, zu dem der Empfänger das Sendesignal günstigerweise detektiert.
• Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens finden sich in den Unteransprüchen.
• Der Erfindung liegt der Gedanke zu Grunde, dass sich die vorentzerrten Sendesignale je nach Zeitunterschied zwischen Sendezeitpunkt und angenommenen Detektionszeitpunkt unterscheiden. Die Sendesignale sind im allgemeinen nicht nur zeitlich gegeneinander verschoben, sondern auch in ihrem Verlauf verschieden.
• Wenn der Zeitunterschied zwischen Sende- und Detektionszeitpunkt ungünstig gewählt ist, kann das vorentzerrte Signal vom Sender sehr hohe Energien enthalten. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn zu einem Detektionszeitpunkt wenig des Sendesignals durch den Übertragungskanal an den Empfänger weitergeleitet wird, aber eben dieser Detektionszeitpunkt gewühlt ist.
• In 3 sind exemplarisch die Amplituden der Impulsantwort eines Übertragungskanals dargestellt. Auf einen Impuls des Empfängers für die Kanalschätzung liefert der Übertragungskanal idealisiert für drei Übertragungspfade drei unterschiedlich verzögerte Impulse mit unterschiedlicher Amplitude als Impulsantwort. 4 zeigt die daraus resultierenden Signalenergien bei gemeinsamer Vorentzerrung. Dabei ist das Sendesignal SS, das Empfangssignal ES und der Detektionsbereich DB über der Zeit ZT dargestellt. Deutlich zu sehen ist, dass die kumulative Energie über alle drei Übertragungspfade beim Empfänger entsprechend den Verzögerungen aus 3 zu Beginn der Übertragung ansteigt und am Ende der Übertragung entsprechend schrittweise abfällt.
• Vorentzerrungssysteme nach dem Stand der Technik sind in der Regel derart ausgelegt, dass kleine Empfangssignale vermieden werden, indem hohe Sendeenergien verwendet werden. Im allgemeinen führt das sowohl zu höheren Gesamtsendesignalleistungen als auch zu höheren Maximal-zu-Mittelwert-Leistungsverhältnissen (PAR = Peak to Average Ratio). Erfindungsgemäß wird nun der Zeitunterschied zwischen dem Senden vorentzerrter Signale und dem Detektionszeitpunkt dieser Signale so gewählt, dass ein Optimierungskriterium erfüllt wird. Insbesondere kann der Zeitunterschied so gewählt werden, dass die Sendesignale niedrigere Leistungen besitzen. Dadurch können die Interferenzen des Übertragungs-Systems niedriger gehalten werden oder bei entsprechend erhöhter Sendeleistung bessere Übertragungsqualitäten (gegeben durch Übertragungsfehlerraten) erreicht werden.
• Der Zeitunterschied zwischen dem Senden vorentzerrter Signale und dem Detektionszeitpunkt kann vorteilhafterweise auch so gewählt werden, dass die Sendesignale kleinere Maximal-zu-Mittelwert-Leistungsverhältnisse haben. Dadurch können effizientere Sendeleistungsverstärker eingesetzt werden.
• Alternativ kann der Detektionszeitpunkt auch als der Zeitpunkt festgelegt werden, an dem die kummulative Energie des aus mehreren versetzten Teilsignalen gebildeten Empfangssignals die Hälfte seines Maximalwertes erreicht hat.
• Der Zeitunterschied zwischen dem Senden vorentzerrter Signale und dem Detektionszeitpunkt dieser Signale ist erfindungsgemäß also nicht vorgegeben, sondern wird in Abhängigkeit vom Übertragungskanal so gewählt, dass ein Optimierungskriterium erfüllt wird.
• Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
• 1 eine Spreizung mehrerer Datenströme;
• 2 eine gemeinsame Vorentzerrung;
• 3 Amplituden einer Kanalimpulsantwort;
• 4 Signalenergien bei gemeinsamer Vorentzerrung;
• 5 eine Burst-Struktur;
• 6 eine Vorrichtung zur Vorentzerrung;
• 7 einen zeitlichen Ablauf bei TDD-Betrieb mit Vorentzerrung;
• 8 ein Beispiel für Sendesignalleistungswerte und Maximal-zu-Mittelwert-Leistungsverhältnisse zu verschiedenen Detektionszeitpunkten; und
• 9 eine kummulative Impulsantwort über der Zeit.
• Das nachfolgende Ausführungsbeispiel stellt eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar und ist für den UMTS TDD-Modus, erweitert um die Möglichkeit der gemeinsamen Vorentzerrung, wiedergegeben.
• Es wird ein zellulares Funksystem vorausgesetzt. Das Funksystem wird im TDD-Modus betrieben, d. h. Vorwärtsstrecke (von Basisstation BS zu Mobilstation MS) und Rückwärtsstrecke (von MS zu BS) verwenden dasselbe Frequenzband. Die Daten werden per CDMA burstweise übertragen. Jeder Burst BU besteht gemäß 5 aus einem Referenzsignal REF zur Synchronisation bzw. Kanalschätzung und zwei Blöcken DB1, DB2 von zu übertragenden Datensymbolen. Jeder Nutzer, der Daten in der Vorwärtsstrecke empfängt, überträgt ein Referenzsignal in der Rückwärtsstrecke. An Hand des Referenzsignals werden in der Rückwärtsstrecke die Impulsantworten der einzelnen Mobilfunkkanäle geschätzt. Die Kanalschätzungen werden zur Vorentzerrung der Sendesignale der Vorwärtsstrecke verwendet.
• 6 zeigt die Sende- und Empfangsvorrichtung zur Kanalschätzung in der Rückwärtsstrecke und zum Senden der vorentzerrten Signale. Daten DA werden in einen Modulator MOD der Vorentzerrungsvorrichtung eingespeist und dort mit Spreizungscodes moduliert. Aufgrund einer Kanalschätzung von einem Kanalschätzer KS entzerrt ein Vorentzerrer VE das modulierte Signal. Über einen Schalter bzw. Switch SW wird das vorentzerrte Signal mittels TDD-Funkverbindung TF an einen nicht dargestellten Empfänger übermittelt. Der Kanalschätzer KS erhält von dem Switch SW die Impulsantwort aus der Rückwärtsstrecke zur Kanalschätzung.
• 7 zeigt hierzu den zeitlichen Ablauf bei TDD-Betrieb mit Vorentzerrung. Von der Mobilstation MS wird ein Referenzsignal durch Sendung S an die Basisstation BS zur Kanalschätzung KS übertragen. Nach der Kanalschätzung KS erfolgt in der Basisstation die gemeinsame Vorentzerrung GV. Zeitlich parallel zur gemeinsamen Vorentzerrung GV in der Basisstation BS verlauft der Empfang E in der Mobilstation MS.
• Im Folgenden wird die Vorgehensweise zur Optimierung der vorentzerrten Sendesignale an Hand des in der Patentanmeldung PCT/DE99/03329 beschriebenen Algorithmus beschrieben. Zur Detektion der vorentzerrten Signale werden Code-angepasste Filter verwendet. Der Algorithmus berechnet die Sendesignale mehrerer Sendeantennen und wird im Basisband beschrieben.
• Die Daten werden blockweise übertragen. Sei d ^(k) = (d^(k) ₁, ..., d^(k) _M), k = 1, ..., K der Vektor der M innerhalb eines Blocks zu übertragenden Datensymbole des k-ten Nutzers. d = (d ⁽¹⁾, ..., d^(K)) bezeichne die Zusammenfassung aller zu übertragender Datensymbole. Aus diesen Datensymbolen werden die Sendesignale s ⁽ⁿ⁾ der Sendeantennen (n = 1, ..., N, N = Anzahl der Antennen) durch lineare Transformation geformt: s ^T = P·d ^T s = (s ⁽¹⁾, ..., s ^(N))
• Seien h ^(k,n) = (h₁ ^(k,n), ..., h_W ^(k,n)) (W = Impulsantwortlänge) die Impulsantworten und n ^(k,n) = (n^(k,n) ₁, ..., n^(k,n) _L+W–1) (L = Länge der Sendesignale s ⁽ⁿ⁾) die additiven Rauschsignale der Mobilfunkkanäle von der n-ten Antenne zum k-ten Nutzer. Mit den Matrizen

  

  empfängt der k-te Empfänger des Systems das Signal

  
• Der Code-angepasste Filter-Empfänger zum k-ten Nutzercode c ^(k) = (c^(k) ₁, ..., c^(k) _Q) (Q = Länge der Spreizungscodes mit M·Q = L) und Detektionszeitpunkt t_k:

  

  demoduliert das Empfangssignal zu

  

  

  konjugiert transponierte Matrix R^(k)(t_k)
• Mit den Zusammenfassungen

  

  erhält man als Gesamtvektor ḏ ^ = (d^ (1) / 1 ,..., d ^ (1) / M , ...,d ^ (K) / 1 , ..., d ^ (K) / M ) aller demodulierter Signale: ḏ ^ = R^H(t)·H·s ^T+R^H(t)·n ^T = R^H(t)·H·P·d ^T + R^H(t)·n ^T
• Wir wählen nun P = A^t A = R^H(t)·H
• Dabei bedeutet A^t die Pseudoinverse der Matrix A.
• Unter realistischen Bedingungen hat A maximalen Rang. Dann ist A·A^H invertierbar, wenn K·M ≤ N·Q·M erfüllt ist, und es gilt A^t = A^H·[A·A^H]^–1
• Es folgt ḏ ^^T = d ^T + R^H(t)·n ^T R^H(t) liefert also die gesendeten Datensymbole d ^T und additives Rauschen.
• Erfindungsgemäß wird nun der Vektor der Detektionszeitpunkte t optimal gewählt. t kann z. B. so gewählt werden, dass die Energie der vorentzerrten Sendesignale minimal wird.
• Die Minimierung der Sendeenergie kann vorgenommen werden, indem für alle möglichen t ∊ {0, ..., W – 1}^K die zugehörigen Sendesignale bestimmt werden, und die Sendesignale zu dem t mit der geringsten Sendesignalenergie ausgewählt werden.
• 8 zeigt ein Beispiel, in dem die Sendesignalenergien SSL in Abhängigkeit vom Detektionszeitpunkt DZP dargestellt sind. In der Abbildung sind nur die Energien für gleiche Detektionszeitpunkte DZP aller Nutzer gezeigt (t = (t, t, t)). Geringste Sendeenergie wird für t = (1, 1, 1) erreicht.
• Eine einfachere Möglichkeit besteht darin, t aus den zur Vorentzerrung verwendeten Kanalimpulsantworten abzuleiten. Dazu werden die kummulativen Impulsantwortenergien e ^(k) der Nutzerkanäle bestimmt (9 zeigt die zur Kanalimpulsantwort von 3 gehörenden kummulativen Impulsantwortenergien):

  
• Für den Detektionszeitpunkt t_k wird dann der Wert von i gewählt, für den e (k) / i dichtesten bei max(e ^(k))/2 liegt, vermindert um 1 (9):

  
• 9 zeigt den stufenweisen Anstieg der kummulativen Energie KE in 3 Stufen über der Zeit ZT bis zur maximalen kummulativen Energie MKE. Der optimale Detektionszeitpunkt ODZP ergibt sich bei diesem Ausführungsbeispiel bei der hälftigen maximalen kummulativen Energie HMKE.
• Die Detektionszeitpunkte können auch so bestimmt werden, dass das Maximal- zu Mittelwert-Leistungsverhältnis MML (einleitend auch mit PAR bezeichnet) der Sendesignale minimal wird. 8 zeigt MML- bzw. PAR-Werte für das oben angegebene Beispiel der K = 3 Nutzer. Der geringste PAR-Wert wird für t = (3, 3, 3) erreicht.
• Die Optimierungskriterien können auch kombiniert werden, so dass zwar die Einzelkriterien (z. B. Sendeenergie und PAR) nicht optimal erfüllt werden, wohl aber das Gesamtkriterium.
• Anstelle des hier dargestellten Algorithmus können auch andere Algorithmen zur Vorentzerrung eingesetzt werden.
• Bezugszeichenliste

• BS

  Basisstation

  BU

  Burst

  DA

  Daten

  DB, DB1, DB2

  Detektionsbereich

  DD

  detektierte Daten

  DZP

  Detektionszeitpunkt

  E

  Empfang

  ES

  Empfangssignal

  GV

  Gemeinsamer Vorentzerrer

  HMKE

  hälftige kummulative Energie

  KE

  kummulative Energie

  KS

  Kanalschätzer

  MKE

  maximale kummulative Energie

  MML

  Maximal-zu-Mittelwert-Leistungsverhältnis

  MOD

  Modulator

  MS

  Mobilstation

  ODZP

  Optimaler Detektionszeitpunkt

  REF

  Referenzsignal

  S

  Sendung

  SS

  Sendesignal

  SSL

  Sendesignalleistung

  SW

  Switch

  TF

  TDD-Funkverbindung

  VE

  Vorentzerrungseinrichtung

  ZT

  Zeit

Claims (16)

1. Vorrichtung zum Senden eines vorentzerrten Sendesignals über einen oder mehrere Übertragungskanäle mit einer Sendeeinrichtung zum Senden des Sendesignals an einen Empfänger, einer Kanalinformationseinrichtung (KS) zur Bereitstellung von Kanalimpulsantworten und einer Datenverarbeitungseinrichtung zum Auswerten der Kanalimpulsantworten, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Datenverarbeitungseinrichtung auf der Grundlage der Kanalimpulsantworten und Optimierungskriterien ein Detektionszeitpunkt (ODZP) festlegbar ist, zu dem der Empfänger das Sendesignal günstigerweise detektiert.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei mit der Datenverarbeitungseinrichtung anhand der Kanalimpulsantworten eine Sendesignalleistung der Sendeeinrichtung schätzbar und der Detektionszeitpunkt (ODZP) anhand der Sendesignalleistung festlegbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei mit der Datenverarbeitungseinrichtung anhand der Kanalimpulsantworten ein Maximal-zu-Mittelwert-Leistungsverhältnis des Senders schätzbar und der Detektionszeitpunkt anhand des Maximal-zu-Mittelwert-Leistungsverhältnisses festlegbar ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei der Detektionszeitpunkt durch ein Minimum der Sendesignalleistung oder des Maximal-zu-Mittelwert-Leistungsverhältnisses festgelegt ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Energien der Kanalimpulsantworten in der Datenverarbeitungseinrichtung über der Zeit zu einer kumulativen Energie integrierbar sind und der Zeitpunkt, an dem die kumulative Energie einen vorgegebenen Bruchteil der maximalen kumulativen Energie erreicht, als Detektionszeitpunkt festlegbar ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Bruchteil der maximalen kumulativen Energie die Hälfte ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit weiterhin einer Vorentzerrereinrichtung (VE) zum gemeinsamen Vorentzerren des Sendesignals auf der Grundlage der Kanalimpulsantworten.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Kanalinformationseinrichtung eine Speichereinrichtung, aus der die Kanalimpulsantworten auslesbar sind, eine Kanalimpulsempfangseinrichtung zum Empfangen von im Vorwärtskanal gemessenen Kanalimpulsantworten oder eine Kanalschätzeinrichtung, mit der Impulsantworten im Rückkanal messbar sind, ist.
9. Verfahren zum Senden eines vorentzerrten Sendesignals über einen oder mehrere Übertragungskanäle durch Bereitstellen von Kanalimpulsantworten Auswerten der Kanalimpulsantworten und Senden des Sendesignals an den Empfänger unter Berücksichtigung der Auswertung des Kanalimpulsantworten, dadurch gekennzeichnet, dass beim Auswerten der Kanalimpulsantworten unter Berücksichtigung von Optimierungskriterien ein Detektionszeitpunkt (ODZP) festgelegt wird, zu dem der Empfänger das Sendesignal günstigerweise detektiert.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei anhand der Kanalimpulsantworten die Sendesignalleistung des Senders geschätzt wird und der Detektionszeitpunkt (ODZP) anhand der Sendesignalleistung festgelegt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei anhand der Kanalimpulsantworten das Maximal-zu-Mittelwert-Leistungsverhältnis des Sendesignals des Senders geschätzt wird und der Detektionszeitpunkt anhand des Maximal-zu-Mittelwert-Leistungsverhältnisses festgelegt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei der Detektionszeitpunkt durch ein Minimum der Sendesignalleistung oder des Maximal-zu-Mittelwert-Leistungsverhältnisses festgelegt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die Energien der Kanalimpulsantworten über der Zeit zu einer kumulativen Energie integriert werden und der Zeitpunkt, an dem die kumulative Energie einen vorgegebenen Bruchteil der maximalen kumulativen Energie erreicht, als Detektionszeitpunkt festgelegt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Bruchteil der maximalen kumulativen Energie die Hälfte ist.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei das Sendesignal vor dem Senden gemeinsam vorentzerrt wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 15, wobei das Bereitstellen der Kanalimpulsantworten ein Auslesen aus einem Speicher, ein Empfangen von in Vorwärtskanal gemessenen Kanalimpulsantworten und/oder ein Messen der Kanalimpulsantworten im Rückkanal umfasst.

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